JPH067943A - プラズマ トーチ ノズル、プラズマ トーチ 組立体及びプラズマ アーク トーチ - Google Patents

プラズマ トーチ ノズル、プラズマ トーチ 組立体及びプラズマ アーク トーチ

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JPH067943A
JPH067943A JP5072055A JP7205593A JPH067943A JP H067943 A JPH067943 A JP H067943A JP 5072055 A JP5072055 A JP 5072055A JP 7205593 A JP7205593 A JP 7205593A JP H067943 A JPH067943 A JP H067943A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 スプラッシュ バックに対して保護性が高
く、又、冷却性に優れたプラズマ アーク トーチを提
供する。 【構成】 ノズル ボディの後部から流れに沿って前記
ボディの前部に気体流れをプラズマ アークに対して案
内するための縦方向の開口を有して、前記前部の面の外
に充分な電圧差の下でプラズマ アークを形成する略た
る形のノズル ボディを具える改良したプラズマ トー
チ ノズルにおいて、前記ノズル ボディが、外面部分
が前記流れ方向に関して拡がる後部、外面部分が前記流
れ方向に関して実質的に円筒状の中央部、及び外面部分
が前記流れ方向に関して窄まる前部を更に有し、これに
より、気体が前記中央部から前記前部に流れるときに、
前記中央部が前記前部につながる場所で、圧力勾配を生
じさせるために、前記ノズルボディの前記外面が前記前
部にて方向を変え、気体が流れる際、圧力勾配は前記外
面に沿って気体を保持しようとし、且つ、気体が前記ノ
ズル ボディの前記面で集まることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマ アーク トー
チに関し、特にプラズマ アーク トーチの改良したノ
ズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマ アーク切削は金属加工技術で
あり、分断、切断あるいは金属への類似の仕事の実施に
必要な熱をプラズマ、即ち、イオン又は原子の形で存在
すべき元素のすべてに対して他の適当な条件下で、物質
がある程度加熱された状態、により供給する。多くの場
合、プラズマを開始し発生する最も効果的な方法はプラ
ズマ−形成材料、典型的な流動気体の存在下で陽極及び
陰極間に充分な電位差（電圧降下）を適用することであ
る。伝達アークとして既知のプラズマ アーク溶接の一
形態において、電位差はトーチ内の電極と金属加工物そ
れ自体の間に加わる。
【０００３】プラズマ アーク トーチ切削装置は多数
の異なった用途があり、そのうちの１つは切削である。
切削は時に加工物の端から始めるが、別の場合には初期
切削の間、端を考慮に入れないので端から充分に離れた
加工物のある部分から始める。プラズマ アーク トー
チをこのような端以外の切開又は切削の開始に使用する
場合は、その技術は「穿孔」として説明される。穿孔は
実施される位置に溶融した金属が移動できる端又は開口
している底（少なくとも初期）がないという点でプラズ
マ アーク トーチに関して特別な問題を生じる。この
ように、穿孔の典型的な副作用では、切削における溶融
金属はトーチ及びそのノズルに向かって飛散し損傷を与
える傾向にある。
【０００４】このような従来のプラズマ アーク溶接及
び切削技術には周知のように、ノズルの損傷の影響は電
極の損傷又時としてプラズマ アーク トーチ全体の重
大な損傷としてよく表われる。故に、穿孔又は他の処理
によるはね返り（splash−back）を最小限に抑えたり、
回避する程度に、プラズマ アーク トーチの寿命を伸
ばすことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、従来のトーチよりはね返りに対してより保護性の高
い、又、他の、特に冷却性につき利点を有するプラズマ
アーク トーチを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は改良したプラズ
マ トーチ ノズルに関してこの目的に適合する。ノズ
ルは、ボディの後方部分から流れに沿ってボディの前方
部分及び前方部分でオリフィスの外面にプラズマ アー
クに対して気体流れを案内するために、縦方向の開口を
有する略たる形のボディを有し、充分な電位差の下でプ
ラズマ アークを形成する。ノズル ボディは特に、外
面部が下流方向に関して拡がる後部、外面部が下流方向
に関して円筒状である中央部、及び外面部が下流方向に
関して窄まる前部からなる。各外面部分はノズル ボデ
ィの連続した外面を形成し、ノズル ボディは気体流を
付勢し、気体流はノズル ボディの外面に沿って指向さ
れ、外面に従い、ノズル面で集まる。ノズル面で気体が
集まった作用として、切削中、特に穿孔中にはね返りか
らノズルを保護するのに役立つ。
【０００７】本発明の上述した及び他の目的、利点並び
に特徴、そして、同様のことを達成する方法は好ましい
典型的な実施態様を示した添付図面を参照して、本発明
の以下の詳細な記載を考察することによりより容易に明
らかになる。
【０００８】
【実施例】図１はプラズマ アーク トーチ１０の全体
側面である。このようなトーチの主要な部分の一般的な
構造及び作動はこの技術において周知であり、詳細には
説明しないが、トーチは本体部１１及びノズル全体部分
１２からなる。図示された実施態様のノズル全体部分１
２は、本体部１１に関して角度をなして位置する。この
ようなトーチに関する当業者には、ノズル全体部分１２
が、本体部分１１に関して直線に配列されることも可能
で、この技術においては普通のペンシル タイプの装置
を形成することが知られている。
【０００９】又、トーチ１０は１３で示された１個又は
それ以上の通路を有し、この通路１３を介してプラズマ
アーク気体は供給源（図示せず）からノズル全体部分
１２に運ばれる。プラズマ アーク溶接に関する当業者
には周知なように、典型的に１又はそれ以上の気体を、
プラズマ アークを形成するために、及び先端部分１２
の内部及び外部にくまなく冷却流れを導くために使用
し、トーチの作動部分における高温プラズマの効果を加
減するのを助ける。
【００１０】図２は、図１中に示されたノズル全体部分
１２から延設するプラズマ アークトーチの下部の拡大
図である。図２は本発明のノズル１４の１実施態様を示
す。図示された実施態様は、伝達アーク プラズマ実施
態様であり、ここにおいて、加工物１５はトーチの電極
と共同して使用され、電位差及びプラズマ アークを生
じる。又図２は模式的にプラズマＰ、加工物からのはね
返りＳ、及びノズルを冷却し、ここに示された方法では
ね返りによるノズルの損傷を回避する機能を果たすノズ
ル１４の周囲の冷却気体Ｃの流れを示す。
【００１１】図３はトーチ１６の断面図であり、本発明
の構造及び作動の多数の細部を示す。図１に一致して、
トーチはノズル全体部分１２、気体通路１３及びノズル
１４それ自体からなる。背景として、トーチの他の部分
は、外部絶縁体１７、パイロット アーク ボディ２
０、内部絶縁体２１及び電極体２２からなる。これらは
一般に円筒状部品であり、図３の断面図では、中央気体
通路１３の両側に何か同一の鏡像部分があるように見え
る。以下、「ボディ」とは上記ノズルのトーチの主要部
を指す。即ち、電極体２２あるいはパイロット アーク
ボディ２０である。図３の実施態様は保持部材絶縁体
２３及び保持部材２４を更に有する。
【００１２】ノズル１４は略たる型のボディを有し、ボ
ディはボディ下流の後部から前部及び前部におけるノズ
ル面２６の外側に、プラズマ アークに対して気体流れ
を導く縦方向の開口２５を備えており、適当な電圧差の
下でプラズマ アークを形成する。ノズル１４は外面部
分が下流方向に拡がった後部２７（図４及び図５も参
照）を更に含む。本明細書中で使用する、「下流」とは
正常な操作におけるトーチ及びそのノズル中の気体流れ
の全体的な方向をいう。又、ノズル１４は外面部分が下
流方向に略円筒状である中央部３０、及び外面部分が下
流方向に窄まっている前部３１をも含む。ここで、各外
面部分はノズルボディに対して連続した外面を形成し、
ノズル ボディの外面に沿って指向された気体流れを付
勢し、外面に従い、ノズル ボディの面２６にて窄ま
る。
【００１３】これに関して、ノズル１４の形はコアンダ
（Ｃｏａｎｄａ）効果として又、壁結合効果として知ら
れている流体流れ現象の利点を有している。コアンダ効
果は表面の方向が変化しても流体が流れる表面に沿う流
れ流体の傾向である。特に、流体が流れる表面の変化が
中程度の場合、圧力勾配が表面の方向が変化している点
で生じ、この圧力勾配は表面に流れ流体を保持する傾向
にある。このように、本発明のノズル１４の表面の輪郭
は、その上に気体流れが在ると、図２に示すようなトー
チ操作の間、はね返りをそらすのを助けるノズル１４の
外部の冷却気体Ｃの集中流れを生じることが図３，４及
び５の説明からわかる。
【００１４】図示の実施態様では、プラズマ トーチ
ノズル１４は後部２７の後ろに口２８を有する略中空状
の本体を有している。口２８はこれを介して、ノズル面
２６近傍のトーチ電極３２の先端を位置決めするため
に、３２で示すトーチ電極を受け入れて、適当なプラズ
マ アークを電極とノズル又は電極と導電性加工物の間
に形成できるようにしている。電極３２とノズル１４の
間の特別な間隔は、気体組成物と流れの、及び所望の又
は必要な特別な電圧降下の関数である。これらのパラメ
ータは当業者には周知であり、過度の実験をすることな
く評価、選択できる。
【００１５】図示した実施態様では、プラズマ トーチ
ノズル１４は保持部材２４に保持され、これにより支
持されるための少なくとも１つの環状ショルダー３３を
更に含む（図３，４及び５参照）。
【００１６】好ましい実施態様では、後部２７の拡がり
外面部分はたる形ノズル１４の縦中心軸から約１〜２０
°の間の角度にて拡がっている。前部３１の窄まり外面
部分はたる形ノズル ボディ１４の縦中心軸から５〜２
０°の間の角度にて窄まっている。ノズルの面２６はた
る形ボディの縦軸に沿って中央に再び環状のオリフィス
３４を更に含む。図４及び５に示すように、別の実施態
様では、中央部３０の外面部分は滑らかかあるいはぎざ
ぎざの面を有する。
【００１７】更に、図３で示すように、保持部材２４
は、パイロット アーク ボディ２０にねじ係合してい
る上方部分を有し、加えて、保持部材２４はノズル１４
のショルダー３３に係合して、保持部材が所定位置に保
持される際、ノズルを所定位置に保持する。他の実施態
様では、ノズルはねじ部を含み、所定位置にねじを付け
得ることがわかる。保持部材２４はノズル１４の外面に
冷却気体の流れを指向手段を更に含む。保持部材２４と
周囲保持部材絶縁体２３の間に形成されたプリーナム３
６に開口した第１の出口穴３５の組として示される。プ
リーナム３６から、冷却気体はノズル ボディ１４近く
に開口した第２の出口穴３７の組を介して流れる。図３
に示すように、保持部材２４は第２の開口３７の組近傍
の後部拡がり部分２７を有するノズル１４を位置決めす
る。この装置において、保持部材２４とノズル１４の後
部はこれらの間に第２プリーナム４０を規定し、ここに
ノズル ボディに沿って下流に流れ始める際、冷却気体
Ｃの流れが平衡し得る。
【００１８】又、図３は、保持部材２４が一般に環状の
開口４１を有し、これを介してノズル ボディ１４が突
き出る。ここにおいて、保持部材２４とノズル ボディ
１４はそれらの間に環状部を規定し、これを介して冷却
気体Ｃを流し得ることを示す。図示した実施態様では、
保持部材２４は保持部材の実質的に完全に外側に少なく
とも中央部分３０と前部分３１を有するノズル ボディ
１４の位置決めする。結果として、ノズル１４の外面に
沿う冷却気体流れはプラズマ トーチ組立体の残部の実
質的に外側に生じてこれによりノズル１４をより効率的
に冷却する。より好ましい実施態様において、保持部材
２４とノズル１４の間の環状部は約０．００５〜０．０
３０インチの間の幅を有する。
【００１９】又図３はトーチの残りの特徴の幾つかと気
体がトーチを流れる方法を示す。第１には既に記述した
ように、気体流れは電極体２２を通って縦に延設する気
体通路１３を介してトーチ１６の下方部分に入る。電極
３２は略中空で電極体２２中の縦方向の気体通路１３に
流体連通することにより、電極体２２を通って指向され
た気体は電極３２の内部に至り、プラズマ アーク操作
中に電極３２を冷却するのを助ける。電極体２２は電極
の内部からノズル１４の内部と外部の両方に流体を指向
するために、電極アダプタ４２として示された手段を更
に有して、ノズル１４の内部に指向された気体流れは充
分な電位差の下でプラズマ アークを形成し、ノズル１
４の外部に案内された気体流れは気体流れが、ノズル１
４の拡がる及び窄まる外面を流れる際、ノズル１４を冷
却するのを助けると共に加工物のはね返りをそらすのを
助ける。これに関して、ノズル１４の拡がる及び窄まる
形はノズル１４の軽量化に有利に作用し、引いては蓄熱
を減らして、冷却を容易にする。
【００２０】電極アダプタ４２を電極体２２で支持し、
電極アダプタ４２は電極体２２を通って完全に延設され
た縦方向の開口４３を有する一般に円筒状のボディを有
する。円筒ボディは電極３２の内部とノズル１４の外部
との間を流体連通するために、縦方向の開口４３に垂直
で、流体連通し、半径方向に離隔した第１の開口４４の
組を有する。電極アダプタ４２は電極３２の内部とノズ
ル１４の内部との間を流体連通するために、縦方向の開
口４３に流体連通した半径方向に離隔した第２の開口４
５の組をも有する。同時係属の出願番号
で、本明細書中に参考として示す「プラズマ トー
チ」において、カルクフッフ（Ｃａｒｋｈｕｆｆ）によ
り説明されているように、電極アダプタ４２は取替可能
であると好ましい。そこで説明したように、取替可能な
電極アダプタは電極の重大な故障から電極体及びトーチ
の関連した部分を保護する。
【００２１】図３で説明したように、電極アダプタ４２
と保持部材２４はそれらの間の室４６を規定する。従っ
て、操作においては気体が気体通路１３を通って、アダ
プタ４２中の縦方向の開口４３中に流入する。気体はア
ダプタ４２の内部と同心的に配置された冷却バッフル４
７の内部に沿って運ばれ、電極３２の内部に至る。電極
３２の内部から縦方向の開口４３と冷却バッフル４７の
間で、気体はアダプタ中を上方に流れ、第１垂直開口４
４又は第２垂直開口４５のいずれかにて出る。第１開口
４４から出た気体は室４６に入り、出口ホール３５、プ
リーナム３６、出口ホール３７、プリーナム４０、ノズ
ル１４と保持部材２４との間の環状部を通って、前述の
ようにコアンダ効果によりノズルを冷却する。電極３２
の内部からの気体のうち他の部分は第２の出口穴４５の
組から出て、電極３２とノズル１４の内部の間のすき間
を経て、ノズル オリフィス３４に至る。電極３２と加
工物の間に充分な電位差（電圧降下）が加わる場合は、
オリフィス３４から流出する気体中でプラズマ アーク
は電極と加工物の間に生じる。この技術では普通である
が、電極インサート５０をも、プラズマ中で電圧降下を
増加するのを助けるのに使用する。
【００２２】本発明のノズル構造を穿孔教本に基づいて
検査し、エサブ（ＥＳＡＢ）のカレント プロダクショ
ンＰＴ−２０Ｍノズル（サウスカロライナ２９５０１、
フローレンス、エベネゼール ロード、私書箱１００５
４５、エサブ グループ）と比較した。このトーチを厚
さ１インチの炭素鋼板の上方に、１／４インチのノズル
対加工物間距離をセットして配置した。冷却及びプラズ
マ ガス用の空気の供給圧は８５プサイグであった。１
００Ａアーク電流を用いて、特定時間トーチを作動し
た。トーチが板を全体的に貫通するまで、この時間を次
第に長くした。もってこれは全貫通に要する最小時間を
示す。続けて１０ケ貫通した後の各ノズルへの溶融金属
のは返りにも注意した。
【００２３】これらの検査条件の下で、ＰＴ−２０Ｍノ
ズルの最小穿孔時間は３．７５秒であり、連続穿孔検査
におけるノズル面への急速なはね返りの堆積が認められ
た。しかしながら、本発明を用いると、最小穿孔時間は
２．７５秒に減少し、ノズル面へのはね返りはほとんど
存在しなかった。発明者は何か特別な理論に拘束される
ことは望まないが、はね返りの減少はノズルのより良好
な冷却の結果であることがわかった。結果として、ノズ
ルにあたるはね返りは面に刺さるよりむしろ急速に冷え
てはがれ落ちることがわかった。加えて、貫通孔から出
てくる溶融材料のスプレー パターンはより水平な方向
にトーチから遠ざかってそらされることがわかった。
【００２４】図３は当業者に周知の若干の他の詳細を示
す。これらは、電極絶縁体５１と、保持部材２４をパイ
ロット アーク ボディ２０に固定するために、保持部
材２４のねじ山５２及びパイロット アーク ボディ２
０のこれに対応するねじ山５３を含む。加えて、電極ア
ダプタ４２と電極３２は互いにねじ止めされており、好
ましい実施態様では各々ねじ山５４と５５を用いてい
る。
【００２５】図面と明細書において、本発明の典型的な
好ましい実施態様を開示した。又、特定の言葉を用いた
が、それらは一般的な記述的な感覚で使用したのであっ
て限定の目的ではない。本発明の範囲を特許請求の範囲
にて示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ アーク トーチの側面図である。
【図２】切削又は穿孔操作を模式的に示したノズル及び
トーチ部分の拡大側面図である。
【図３】プラズマ アーク トーチの多数の操作部分の
断面図である。
【図４】本発明のノズル ボディの斜視図である。
【図５】本発明のノズル ボディの第２実施態様の斜視
図である。
【符号の説明】
１３ 気体通路 １４ ノズル １６ トーチ ２２ 電極体 ２４ 保持部材 ３２ 電極 ３４ ノズル オリフィス ４２ 電極アダプタ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ノズル ボディの後部から流れに沿って
    前記ボディの前部に気体流れをプラズマ アークに対し
    て案内するための縦方向の開口を有して、前記前部の面
    の外に充分な電圧差の下でプラズマ アークを形成する
    実質的にたる形のノズル ボディを具える改良したプラ
    ズマ トーチ ノズルにおいて、 前記ノズル ボディが、 外面部分が前記流れ方向に関して拡がる後部、 外面部分が前記流れ方向に関して実質的に円筒状の中央
    部、及び外面部分が前記流れ方向に関して窄まる前部を
    更に有し、これにより、気体が前記中央部から前記前部
    に流れるときに、前記中央部が前記前部につながる場所
    で、圧力勾配を生じさせるために、前記ノズル ボディ
    の前記外面が前記前部にて方向を変え、気体が流れる
    際、圧力勾配は前記外面に沿って気体を保持しようと
    し、且つ、気体が前記ノズル ボディの前記面で集まる
    ことを特徴とするプラズマ トーチ ノズル。
  2. 【請求項２】 前記後部が、プラズマ アーク トーチ
    内で保持部材に収納され支持されるために、少なくとも
    １つの環状ショルダーを更に有し、且つ前記面が、前記
    たる形ノズル ボディの縦軸に沿って中央に形成された
    円形のオリフィスを有する請求項１記載のプラズマ ト
    ーチ ノズル。
  3. 【請求項３】 前記後部の前記拡がり外面部分が、前記
    たる形ノズル ボディの縦中心軸から約１と２０度の間
    の角度で拡がり、且つ前記前部の前記窄まり外面部分
    が、前記たる形ノズル ボディの縦中心軸から約５と２
    ０度の間の角度で窄まる請求項１記載のプラズマ トー
    チ ノズル。
  4. 【請求項４】 保持部材絶縁体、及び保持部材絶縁体に
    支持された保持部材を更に有し、 前記保持部材が、トーチ組立体の前記ノズルを位置決め
    し且つ保持する手段、及び前記ノズル ボディの前記外
    面に冷却気体流れを案内する手段を有することを特徴と
    する請求項１記載のプラズマ トーチ組立体。
  5. 【請求項５】 前記ノズル ボディが、前記後部に口を
    開口した実質的に中空状であり、前記プラズマ トーチ
    組立体が、前記口を介して、前記中空ノズルボディの中
    に、前記ノズル面近傍にその先端を位置させてトーチ電
    極を有することにより、適当なプラズマ アークを、前
    記電極と前記ノズルの間、又は前記電極と導電性加工物
    の間に形成することができる請求項４記載のプラズマ
    トーチ組立体。
  6. 【請求項６】 前記保持部材の前記冷却気体流れ指向手
    段が、前記ノズルボディ近傍の前記保持部材中に複数の
    開口を有し、前記保持部材が、前記後部拡がり部分が前
    記開口近傍になるように、前記ノズル ボディを位置決
    めすることにより、前記保持部材と前記ノズル ボディ
    の前記後部がそれらの間にプリーナムを規定し、冷却気
    体流れが前記ノズル ボディに沿って下流に流れ始める
    際に、プリーナムにて平衡し得る請求項４記載のプラズ
    マ トーチ組立体。
  7. 【請求項７】 前記保持部材が、前記ノズル ボディが
    突き出る一般に円形の開口を有し、前記保持部材と前記
    ノズル ボディが、冷却気体が流れることができる環状
    部をそれらの間に規定し、且つ前記保持部材が、少なく
    とも前記中央部と前記前部が全体的に前記保持部材の外
    側になるように、前記ノズル ボディを位置決めするこ
    とにより、前記ノズル ボディの外面に沿う冷却気体流
    れが前記プラズマ トーチ組立体の残部の略外側に生
    じ、これにより、より効率的に前記ノズルを冷却する請
    求項６記載のプラズマ トーチ組立体。
  8. 【請求項８】 前記保持部材と前記ノズル ボディの間
    の環状部が０．００５と０．０３０インチの間の幅を有
    する請求項７記載のプラズマ トーチ組立体。
  9. 【請求項９】 略円形の中空外側絶縁体、 前記絶縁体中に同心的に担持される電極体、 前記電極体に電気的に接触する電極、 前記外側絶縁体の部分に担持されたノズル保持部材、及
    び前記保持部材に担持され前記電極の周囲近傍にある前
    記ノズルを更に有する請求項１記載のプラズマ アーク
    トーチ。
  10. 【請求項１０】 前記外側絶縁体と前記電極体の間のパ
    イロット アークボディ、 前記パイロット アーク ボディと前記電極体の間の内
    側絶縁体、 前記電極の内部が略中空状であり、流体連通することに
    より、前記電極体から指向される気体が前記電極の内部
    に至って、プラズマ アーク操作中に前記電極を冷却す
    るのを助ける、前記電極体を通る縦方向の気体流れ開
    口、及び前記ノズルの内部に案内された気体流れが、充
    分な電位差の下で、プラズマアークを形成し、且つ気体
    流れが前記ノズルの前記拡がり及び窄まり外面上を流れ
    る際に、前記ノズルの外部に指向された気体流れが、前
    記ノズルを冷却するのを助け、加工物からのはね返りを
    そらすのを助けるために、前記電極の内部から前記ノズ
    ルの内部及び外部の両方に流れを指向するための、前記
    電極体における手段を更に有する請求項９記載のプラズ
    マ アーク トーチ。
  11. 【請求項１１】 前記流体指向手段が、前記電極体に担
    持された電極アダプタを有し、 前記アダプタが、これを貫通する縦方向の開口を有する
    一般に円筒のボディを有し、 前記円筒ボディが、前記電極の内部と前記ノズルの外部
    の間を流体連通するために、前記縦方向の開口に垂直で
    且つ流体連通する半径方向に離隔した第１の開口の組を
    有し、且つ前記電極の内部と前記ノズルの内部の間を流
    体連通するために、前記縦方向の開口に垂直で流体連通
    する半径方向に離隔した第２の開口の組を有し、 前記アダプタが、前記電極の重大な故障から、前記電極
    体及び前記トーチの関連部分を保護する請求項１０記載
    のプラズマ アーク トーチ。
  12. 【請求項１２】 前記保持部材が、冷却気体流れを前記
    電極体から前記ノズルの外部に指向するために、前記電
    極体における前記流体指向手段に流体連通する複数の開
    口を更に有する請求項１０記載のプラズマ アーク ト
    ーチ。
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